730

18.Pogorzelska J. Aging effects in rutile ceramics / J. Pogorzelska. // Szklo i ceramica. 1975. Р. 313–317.

19.Fraser D.B. J.Appl. Phys. / D.B. Fraser, J.R. Maldonado. 1970. Vol. 41. № 5. Р. 2172.

3.2.ВЛИЯНИЕ ОДНООСНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЬЕЗОКЕРАМИКИ*

Пьезоэлементынаходятширокоеприменениевразличныхотраслях техники,втомчиследляконтролямеханическихнапряженийвстроительныхконструкциях. Поэтомуважноиметьсведенияовременнойстабильности пьезокерамических материалов при действии механической нагрузки.

Впервыхработах[1–3],посвященныхисследованиюстаренияпьезо- керамики (ПК), отмечалось, что одностороннее механическое сжатие изменяетпьезомодуль, диэлектрическуюпроницаемостьиуголдиэлектрическихпотерьПК.Ноэтирезультатыбылиполученыприсравнительно малых давлениях (до 30 МПа) и не продолжительном воздействии нагрузок на образцы. В то же время ПК может находить применение в устройствах,гдедавлениядостигаютбольшихвеличин,авремяеговоздействияоченьвелико. Намибылипроведеныисследованияустойчиво- стинекоторыхмарокпьезокерамикисистемыЦТС(титанаты-цирконаты свинца), модифицированныеразличнымидобавками. Полученныерезультаты позволили выявить ряд особенностей поведения ПК при действии одномерных или циклических нагрузок — от минимальных домаксимальновозможных,близкихкпределупрочностиПК(порядка

250–300МПа).

Объекты и методика их исследования

Сжатиеобразцов ПК осуществлялось на малогабаритных винтовых прессах,которыепозволялидоводитьнагрузкидо30 000Н.Пьезокерамические образцы, имеющие форму дисков диаметром 15 мм, толщиной 0,8–1,0 мм помещались вцилиндрическую фиксирующую обойму. Для снятия параметров ( и tg ) каждый образец ПК укладывался между токосъемными(стальнымиилибронзовыми)дисками сгибкимиизолированнымивыводами.Стопаизнесколькихобразцов,токосъемныхдисков иизоляционных прокладок помещалась вобойму, которая устанавливаласьнастоликдинамометраТокаря.Стопазажималасьмеждуплоско-

* Плетнев П.М., Ланин В.А. Модели, составы, свойства, эксплуатационная стойкость материалов: Междунар. сб. науч. трудов. РАЕН, НГАУ. Новосибирск, 2004. С. 26–30.

101

стью динамометра и горизонтальной прокладкой, перемещающейся в направляющих под воздействием ходового винта пресса. Выводы от токосъемных элементов подсоединялись к коммутационному устрой- ству,позволявшемуподключатьобразцыкмоступеременноготокаР-589.

Объектамиисследованиябылиширокоиспользуемыеотечественные промышленные составы пьезокерамики (ЦТБС-3, ЦТС-19, ЦТСНВ-1), относящейся кразличным группам жесткости исодержащей комплексныедобавки(табл.1). ВыборсоставовПКопределялсясучетомсведений об их свойствах и особенностях структуры.

Таблица 1

Марки пьезокерамики и их основные параметры

Режимынагруженияприведены втабл. 2.

Таблица 2

Режимы механического сжатия пьезокерамических образцов

Временныеизмененияоценивалисьпоэлектрофизическимпараметрам: диэлектрической проницаемости (или емкостиобразца), диэлектрическим потерям–tg , пьезомодулю–d31,механическойдобротности

102

– Qм и коэффициенту электромеханической связи – Кр; в ряде случаев определялосьнаправление(знак)вектораспонтаннойполяризации– РS.

Ст уп ен ча тый р еж им н агр уж ен ия и ра зг рузк и . Относительныеизменениядиэлектрическойпроницаемости ПКЦТБС-3и ЦТСНВ-1 при возрастании нагрузки и ее снятии имеют качественную аналогию свыраженнойпетлейгистерезиса(рис. 1, а).

а )

б )

Рис. 1. Относительные изменения и tg пьезокерамик ЦТС при действии механической нагрузки сжатия:

1 — пьезокерамика ЦТС-19; 2 — пьезокерамика ЦТБС-3; 3 — пьезокерамика ЦТСНВ-1; а — при ступенчатом возрастании и снятии нагрузки; б — при статической по времени нагрузке

103

Прималыхнагрузкахдо50 МПа возрастает,азатемлинейноуменьшается. Приэтом уголнаклонаспада длявсехтрехмарокПКпримерноодинаков, аобщиепределыизмененияблизки междусобой исоставляют 15–20 %. Отличительными особенностями поведения керамики ЦТС-19посравнениюсЦТБС-3и ЦТСНВ-1являютсяуменьшение в начальныймоментнагружения, отсутствиепетлигистерезисаиэффекта увеличения по отношению к исходному значению после снятия нагрузки.

Наибольшие изменения диэлектрических потерь при ступенчатом нагружении и снятии нагрузки наблюдаются для образцов керамики ЦТБС-3.Диэлектрическиепотери нарастаюткакпри прямом(особенно интенсивно в диапазоне от 0 до40 МПа), так и при обратном ходе.

Наименьшиеизменения(~20 %)tg присущикерамикиЦТС-19. Абсолютныеизмененияtg разныхмарокПКотличаютсясуществен-

но:дляЦТС-19онисоставляют10 %,адляЦТБС-3около140 %.

Дл ит ел ьное ст ат ическ ое на гр уж ен и е. С увеличением временидлявсехтрехмароккерамикипринагрузке150 МПаимеетместо уменьшение иtg позакону,близкомуклогарифмическому. Особенно четкопроявляетсяизменение керамикиЦТС-19иtg ПКмарокЦТСНВ- 1 и ЦТБС-3. Количественные изменения и tg с продолжительностью испытаниянаименьшиеуобразцовПКЦТС-19,втовремякакуобразцов ЦТБС-3онизначительнобольше(рис. 1, б).

Действия максимальных статических напряжений одностороннего сжатия(100–250МПа)вызываютуобразцовПКпотерюихрезонансных (fr)иантирезонансных(fa)частот,т.е. пьезосвойств.

Восстановление свойств пьезокерамики после снятия статических нагрузок происходило следующим образом:

Послеразгружения(100 МПа)образцовПКЦТБС-3процессвосста- новления резонансныхи антирезонансныхчастот протекает очень медленно. Спустя 180 суток механическая добротность составляет только 6 %,акоэффициентэлектромеханическойсвязи~20 %отисходныхзначений. Емкостьи tg образцовза этовремявосстанавливаются полностью.

КерамикаЦТС-19послетакойженагрузкивосстанавливаетсязна-

чительнобыстрее.Qм,Кр кконцу170суток«отдыха»восстанавливаются полностью.

Наибольшей стойкостью к циклическомудействию сжимающей нагрузки обладает пьезокерамика ЦТС-19. Исчезновение «резонансов» образцовэтойкерамикинаступаетприусилиисжатияболее60 МПа,вто времякакуобразцовПКЦТБС-3этопроисходитпри20 40 МПа,ауПК ЦТСНВ-1иещеменьшем–10 20 МПа(рис. 2).

104

Рис. 2. Распределение образцов пьезокерамики различных марок, утративших резонансные частоты с приложением механической нагрузки

Изменение механическойдобротности Qм сувеличениемчисла цикловприпостояннойнагрузке40 МПадляПКЦТС-19иЦТБС-3различно: механическаядобротность ПКЦТС-19уменьшается линейно, скорость измененияневелика,ауобразцовЦТБС-3спадQм происходитпоэкспонентесзамедлениемпослепервых циклов(рис. 3).

Таким образом,

—наиболее устойчивой кстатическим и динамическим напряжениямодностороннегосжатияизматериаловсистемыЦТСявляетсякерами- камаркиЦТС-19,относящаясякгруппесегнетомягкихпьезоэлектриков;

—между количественными показателями старения пьезокерамики придействиимеханическихнагрузокистепеньюеежесткостипрослежи- ваетсячеткаявзаимосвязь–чем «мягче»материал, темменьшеизменение его параметров и быстрее происходит их восстановление после нагрузок;

105

QM

1– ЦТС-19

2– ЦТБС-3

циклы

Рис. 3. Изменение механической добротности пьезокерамики при действии циклической механической нагрузки (0-40 МПа-0)

— модифицированиепьезокерамикиЦТС добавками Nb2O3, Na2Oи Bi2O3,Cr2O3 (составыЦТС-19,ЦТСНВ-1,ЦТС-22)способствуеткакдости- жениювысокихисходныхсвойств,такиустойчивостиихпримеханическом нагружении.

Литература

1.Крамарова Л.П., Тарасова Г.Б., Телеснин А.Б. Исследование диэлектрических параметров пьезокерамики третьего состава при одновременном воздействии одномерного статического сжатия. «Прикладная акустика». П. Таганрог, 1969.

2.Rand S. Sonar Problems in the deep Ocean Environment. The Journal of Environmental Soines, November/December, 1970.

3.Василовский В.В. и др. Исследование акустического излучения при высоких гидростатических давлениях. IV, Таганрог, 1976. С. 43–47.

106

3.3.СТАРЕНИЕ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ СИСТЕМЫ ЦТС ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ*

Приведены результаты исследования старения пьезокерамики (ПК) системы ЦТС составов (ЦТС-19, ЦТБС-3, ЦТСНВ-1) в постоянном (Е = 0,8 кВ/мм) и переменном (f = 1 кГц, Е 300 В/мм) электрических полях при различных режимах их воздействия. Показано, что наиболее устойчивым составом к воздействию электрических полей является пьезокерамика состава ЦТС-19. Экспериментальные результаты по электрическому старению ПК анализируются в рамках известных теоретических положений по доменному механизму с учетом влияния фазовых особенностей и микроструктуры.

Расширениеобластейпримененияиужесточениеэксплуатационных режимов пьезокерамики требуют, наряду с дальнейшим повышением уровня свойств, получения сведений и установления зависимостей устойчивостиеекдействиюразличныхвнешнихфакторов:нагрева,увлажнения, механическихнапряжений, электрических и магнитныхполей и т.д.Врядеразработанныхустройстввпроцессеэксплуатациипьезокерамическиеэлементынаходятсявусловияхдлительноговоздействиямеханических напряжений сжатия (или растяжения) и переменных (или постоянных)электрическихполей.

В настоящее время проблема старения пьезокерамики в условиях повышеннойжесткостивнешнихфакторовявляетсявесьмаактуальной. Многие явления в этом сложном и многогранном процессе остаются неясными. Для более глубокого понимания механизма структурных и доменныхизменений,протекающихвПКподдействиемвнешнихфакторов, необходимо накопление экспериментальных результатов и их обобщениена примерахразличныхсоставовпьезокерамики приразнообразном сочетании действующих режимов.

Объекты и методика их исследования

Объектами исследования были широко используемые отечествен- ныепромышленныесоставыпьезокерамикиЦТС-19,ЦТБС-3,ЦТСНВ-1, относящиеся к различным группам сегнето-жесткости и содержащие комплексныедобавки(таблица). ВыборсоставовПКопределялсяс учетом сведений об их свойствах и особенностях структуры, реальной возможности их применения.

Маркикерамики, иххимическиесоставы, размерыобразцов инекоторыеисходныепараметры приведены в таблице.

Образцы были подготовленные по принятой в производстве серийной технологии. Электродами служили вожженные серебряные слои.

* Плетнев П.М., Ланин В.А Огнеупоры и техническая керамика. 2005. № 6. С. 16–21.

107

Время после поляризации образцов до начала испытаний составляло более полугода, т.е. процессы наиболее интенсивного естественного старения ПК были уже завершены.

Исходные параметры исследуемых образцов

Временные изменения состояния ПК оценивались по электрофизическимпараметрам:диэлектрическойпроницаемости (илиэлектроемкостиобразца С), диэлектрическимпотерям tg ,пьезомодулюd31,механической добротности Qм и коэффициенту электромеханической связи Kр;врядеслучаев определялосьнаправление(знак)вектораостаточной поляризации.

Электрическое поле задавалось подачей на электроды постоянного или переменного напряжения от стандартных источников питания ГЗ- 3418,ВСВ-2,УИП-2,ВС-27.Образцыпомещалисьвспециальныеиспыта- тельныеячейки,которыесостоялииз двух(верхнейинижней)металлических пластин, изолированных друг от друга слоем тефлона. Образцы междуэлектродамиприжималисьспециальнымипружинящимиконтактами.

Измерениеемкостиидиэлектрическихпотерьобразцовпроводилось мостом переменноготокаР-589начастоте1кГцинапряженииU = 60В.

Определение пьезопараметров (d31, Кр и Qм) проводилось резонансным методом [ГОСТ 12370–82]. Испытание образцов и измерение их параметров проводилось при условиях.

ИсследованиестаренияПКпридействиипостоянногополяосуществлялосьвдвухрежимах:

108

—кратковременный режим ступенчато-нарастающего электрического поля,

—длительныйрежим придействииэлектрическогополяпостоянной напряженности.

Припервом режименарастаниеэлектрическогополя Епроводилось

сшагом Е = 100В/ммот100до2000В/ммивыдержкой5минприкаждом значениеЕ. Общаяпродолжительностьиспытаниясоставляла2ч.

При длительном режиме образцы подвергались периодическому воздействиюэлектрическогополявтечение10–12чвсуткиспоследую- щим «отдыхом» (суммарное действие электрического поля составляло 1000ч).Приналожениипостоянногоэлектрическогополяполяризован-

ныеобразцы устанавливались в двух положениях: «пополю» E Pr

и«противполя» E Pr , гдевекторостаточнойполяризации Pr задает направление первоначального предельно-поляризующего электричес-

кого поля Eполяр .

Постоянное поле. Режим нарастающего электрического поля

Характеризмененияпараметров( иtg )пьезокерамикиснарастаниемэлектрическогополяоказалсяодинаковымдляисследуемыхобразцов (рис. 1).СущественноевлияниенаповедениеПКоказываетрежимналоженияэлектрическогополя. Так, врежиме«пополю» иtg всех марок керамики возрастают с увеличением напряженности поля, при этом наименьшееизменениепараметров присущеПКЦТС-19,а наибольшее

—ЦТБС-3. В режиме«против поля» кривыезависимостей изменения от электрического поля имеют три характерных участка. На первом участке(до0,6 кВ/мм)диэлектрическаяпроницаемостьувеличивается, но степень возрастания ее больше, чем в режиме «по полю». Второй участок (от 0,6 до 1,5 кВ/мм) характеризуется резким снижением с уходом в отрицательную область изменений изменений — / спостепенной деполяризациейобразцовипоследующейихпереполяризацией. ВеличинаэлектрическогополяактивациипереполяризацииПКЦТС-19 иЦТСНВ-1составляет0,6–1,0кВ/мм, аПКЦТБС-3значительнобольше

—1,0–1,5 кВ/мм. После переполяризации вновь возрастает (третий участок)всоответствиисобщимизакономерностямидлясегнетоэлект- риков.Вобластисильныхэлектрическихполей(0,8–1,3кВ/мм)накривых изменения tg наблюдаются максимумы. Они наиболее выражены у образцовкерамикиЦТСНВ-1иЦТБС-3.

109

Рис. 1. Относительные изменения и tg пьезокерамики ЦТС-19 (1, 2), ЦТБС-3 (3, 4), ЦТСНВ-1 (5, 6) при действии постоянного электрического поля:

а— при ступенчатом нарастании поля; б — при длительном воздействии поля (1, 3, 5 — «по полю»; 2, 4, 6 — «против поля»); Е = 800 В/мм.

Длительный режим при постоянной напряженности электрического поля

Анализ экспериментальных данных поведения образцов пьезокерамики при длительном воздействии постоянного электрического поля позволяетвыделитьследующиезакономерности:

Приотносительнослабыхэлектрическихполях(до0,3кВ/мм)в обоих режимах наложения поля («по полю» и «против поля») заметного изменения и tg в процессе старения (~1000 ч) не происходит; в более сильныхполях(0,6–0,8кВ/мм)измененияпроявляютсядостаточночетко

(рис.1, б).

110